高比表面積一維金紅石TiO2納米棒陣列光陽(yáng)極及其在染料敏化太陽(yáng)能電池中應(yīng)用的研究.pdf

1、染料敏化太陽(yáng)能電池因其制備成本低、光電轉(zhuǎn)化效率高以及電池結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有潛力的太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化器件之一。傳統(tǒng)的染料敏化太陽(yáng)能電池是基于銳鈦礦TiO2納米顆粒膜光陽(yáng)極。雖然，以TiO2納米顆粒膜為光陽(yáng)極的染料敏化太陽(yáng)能電池已經(jīng)取得了～12％的光電轉(zhuǎn)化效率，但是無(wú)序的納米顆粒膜致使光生電子的復(fù)合問(wèn)題嚴(yán)重，不利于電池性能的進(jìn)一步提高。一維陣列結(jié)構(gòu)的TiO2納米材料可提供直接的電子傳輸路徑，有利于改善電子的傳輸以及提高電子在導(dǎo)

2、電基底的收集效率，從而有望進(jìn)一步提高染料敏化太陽(yáng)能電池的效率。
　　在一維TiO2納米陣列結(jié)構(gòu)中，一維金紅石TiO2納米棒陣列具有一系列優(yōu)異的特性，如化學(xué)穩(wěn)定性好、通過(guò)低溫水熱法即可制備晶型良好的納米棒陣列、制備操作簡(jiǎn)單且成本低以及可在多種基底上直接生長(zhǎng)等，可成為一種很有應(yīng)用潛力的染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極材料。然而，目前基于這類(lèi)光陽(yáng)極的染料敏化電池效率仍然較低，主要?dú)w因于金紅石TiO2納米棒陣列的比表面積過(guò)低。因此，在透明導(dǎo)電玻璃

3、基底上制備高比表面積的金紅石TiO2納米棒陣列對(duì)于進(jìn)一步提高染料敏化電池性能具有重要意義。
　　本論文的研究工作主要是發(fā)展了一種構(gòu)筑高比表面積金紅石TiO2納米棒陣列光陽(yáng)極的方法，并將所制備的高性能光陽(yáng)極應(yīng)用在染料敏化太陽(yáng)能電池中，試圖能顯著提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率。主要研究成果如下:
　　(1)采用水熱法直接在FTO（F摻雜的SnO2導(dǎo)電玻璃）基底表面制備了排列致密的單晶金紅石TiO2納米棒陣列光陽(yáng)極，并引入一種化學(xué)刻蝕方法

4、以提高金紅石TiO2納米棒陣列的比表面積。系統(tǒng)地研究了不同的水熱反應(yīng)和化學(xué)刻蝕參數(shù)對(duì)納米棒陣列結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)表明，刻蝕處理可有效提高金紅石TiO2納米棒陣列的比表面積，并可增強(qiáng)膜層與基底之間的結(jié)合力?；凇?.3μm納米棒陣列光陽(yáng)極的染料敏化電池效率達(dá)到了5.94％，而同樣條件下未刻蝕處理的光陽(yáng)極的電池效率僅為1.30％。
　　(2)發(fā)展了一種FTO基底表面預(yù)處理方法，有效解決了金紅石TiO2納米棒陣列膜與FTO基底之間結(jié)合力弱

5、的技術(shù)問(wèn)題，并且首次通過(guò)水熱法在FTO基底表面制備了膜層厚度～30μm的金紅石TiO2納米棒陣列。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)更新水熱溶液和多次水熱生長(zhǎng)，在FTO基底表面成功制備了膜層厚度達(dá)～74μm的金紅石TiO2納米棒陣列。此外，本研究工作還發(fā)展了一種快速生長(zhǎng)金紅石TiO2納米棒的新方法，即在180℃下水熱3h即可在FTO基底上生長(zhǎng)～15μm的金紅石TiO2納米棒陣列。系統(tǒng)地考察了不同化學(xué)刻蝕時(shí)間對(duì)～21μm厚膜層形貌及比表面積的影響。實(shí)驗(yàn)表明，